CC BY
136
УДК 612.2 “32”: 612.28 Ю.М.Перельман, Н.С.Прилипко СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА РЕГУЛЯЦИИ ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА
РЕЗЮМЕ
С целью определения сезонной динамики регуляции дыхания проведено ежемесячное исследование возбудимости дыхательного центра и объемно-временной структуры дыхательного цикла у 31 здорового человека. Возбудимость дыхательного центра оценивалась по вентиляторной реакции и приросту окклюзионного давления в первые
0,1 с от начала вдоха при закрытых дыхательных путях (Р01) в ответ на гиперкапнический стимул. В результате проведенного исследования установлено, что у здоровых людей имеется сезонный ритм центральной регуляции дыхания, который заключается в снижении возбудимости дыхательного центра в холодный период года, сопровождающемся изовентиляторной перестройкой объемно-временной структуры дыхательного цикла с увеличением дыхательного объема и уменьшением частоты дыхания.
SUMMARY J. M.Perelman, N.S.Prilipko
SEASONAL CHANGES OF CONTROL OF BREATHING IN THE MAN
With the purpose of investigating seasonal changes of control of breathing the monthly research of the respiratory centre sensitivity and the pattern of breathing was carried out in 31 healthy persons. The respiratory response to hypercapnia was estimated on ventilatory reaction and mouth pressure after 0,1 s from the onset of an occluded inspiration. Obtained results suggested, that healthy people had a seasonal rhythm of the control of breathing, which consists in decrease of hypercapnic responsiveness in a cold period of year accompanied by isoventilatory reorganization of the pattern of breathing with increase of tidal volume and decrease of respiratory rate.
Ранее нами установлено [5], что функциональное состояние дыхательной системы у здоровых людей претерпевает сезонные изменения, связанные с влиянием погодно-климатических факторов. Сезонная динамика вентиляционной функции легких заключается в ухудшении бронхиальной проходимости в осенне-зимний период года, увеличении общей емкости легких и изменении ее структуры, перестройке паттерна дыхания. Описанные сезонные изменения легочной вентиляции могут быть связаны с динамикой регуляции дыхания со стороны дыхательного центра. Эта проблема в литературе практически не освещена. М.Ф.Авозбакиева, З.Ж.Аскарова [2] изучали возбудимость дыхательного центра у детей Казахстана методом задержки дыхания. Сопоставление зимних и летних данных не показало выраженных сезонных изменений. Однако используемый метод нельзя считать адекватным.
Имеются единичные работы, посвященные влиянию низких температур окружающей среды на функциональное состояние дыхательного центра. В эксперименте на кошках проведен анализ импульсной активности нейронов бульбарного отдела дыхательного центра при снижении температуры вдыхаемого воздуха до -15°С [6]. Установлены два типа реакции, характеризующиеся повышением или снижением возбудимости нейронов. Авторы предположили, что формирование адаптивной перестройки внешнего дыхания осуществляется уже на уровне ретикулярных структур продолговатого мозга по принципу опережающего отражения в целях термостабилизации ядра тела животного. По имеющимся данным, при холодовых воздействиях на организм животных определенную роль играет увеличение импульсации рецепторов тригеминальной зоны, которая снижает чувствительность дыхательного центра к СО2 [3].
М.Я.Якименко и соавт. [7] показали влияние на вентиляторный ответ к гиперкапническому стимулу общего умеренного охлаждения, а К.К.Вш^еББ, W.A.Whitelow [8] - дыхания через нос охлажденного воздуха. Однако на основании этих работ можно лишь косвенно предположить о сезонном влиянии факторов окружающей среды на работу дыхательного центра.
Не изучено влияние естественных флуктуаций атмосферного давления на регуляцию дыхания, в то
время как при искусственной гипербарии отмечено ослабление реакции легочной вентиляции на хеморе-цепторные стимулы [4].
Цель настоящего исследования состояла в определении сезонной динамики возбудимости дыхательного центра и объемно-временной структуры дыхательного цикла у здоровых людей.
Материал и методы исследования
Обследованы 31 здоровый человек. Из них 13 мужчин и 18 женщин. Средний возраст составил 32,1±1,2 года, рост 168,5±1,5 см, вес 67,9±2,1 кг. При комплексном клинико-лабораторном обследовании ни у одного из них не было выявлено органических заболеваний внутренних органов.
Для оценки регуляции дыхания использовали метод возвратного дыхания в модификации D.J.C.Read [11]. Метод позволяет оценить чувствительность и возбудимость дыхательного центра к углекислоте. Возбудимость дыхательного центра оценивалась по вентиляторной реакции (изменению минутного объема дыхания - МОД) и приросту окклюзионного давления в первые 0,1 с от начала вдоха при перекрытых дыхательных путях (Р01) в ответ на гиперкапниче-ский стимул.
Исследования проводили на аппарате «Бодитест» ОМ/04-А («Эрих Егер», Германия) в положении сидя. Возвратное дыхание осуществляли из пластикового мешка с газовой смесью объемом 6-7 л. Газовая смесь в момент начала исследования состояла из 67% СО2, 60-70% О2 и 23-24% воздуха. Содержание СО2 близко к парциальному давлению этого газа в смешанной венозной крови. Исследуемый подключался через загубник к пневмотахографической трубке. Носовое дыхание исключали с помощью носового зажима. После подключения пациента в течение 3540 с происходило уравновешивание парциальных давлений СО2 в мешке, легких и крови, а дальнейшее его нарастание в системе было обусловлено только продукцией СО2 тканями, которая идет довольно равномерно. Вследствие этого гиперкапническая регуляция дыхания прогрессирует также равномерно и не зависит от легочной вентиляции. Добавление в мешок для возвратного дыхания 60-70% О2 устраняет гипоксическую стимуляцию артериальных хеморецепторов, благодаря чему описанный метод позволяет определить реакцию дыхания на «чистый» гипер-капнический стимул, опосредуемый преимущественно медуллярными хеморецепторами.
Исследование продолжалось в среднем 6-8 минут и прекращалось при достижении парциального давления СО2 в альвеолярном воздухе (РАСО2) 8-9 об.%. Во время возвратного дыхания через каждые 30 с по сигналу триггера в конце выдоха механически опускалась заслонка с целью перекрытия дыхательных путей, и измерялось окклюзионное давление в первые 0,1 с от начала вдоха. Величина МОД приводилась к условиям ВТР8.
Для оценки возбудимости дыхательного центра определялись тангенсы углов наклона прямых, отра-
жающих зависимость МОД от РАСО2 (ДМОД/рСО2, в л/кПа) и Р01 от РАСО2 (ДРм/рСО2, в кПа/кПа). Порог чувствительности дыхательного центра к СО2 определялся величиной рСО2 в точке пересечения этих прямых с осью абсцисс.
Дополнительную информацию о регуляции дыхания получали при исследовании объемно-временной структуры дыхательного цикла (паттерна дыхания). Определение паттерна дыхания проводили на установке «Бодитест» ОМ/04-А при спокойном дыхании через загубник в положении сидя. Носовое дыхание исключали с помощью носового зажима. В течение 5-10 минут достигалась адаптация пациента к загубнику. После стабилизации дыхания на 4-канальном самописце 330Р («Хеллиге», Германия) в течение 5-7 минут регистрировали спирограмму. Отдельные фазы дыхательного цикла четко идентифицировались, благодаря автоматическому возврату пера к изолинии при прекращении потока в начале инспиратор-ной и экспираторной пауз. Параметры паттерна дыхания рассчитывали в 10-15 последовательных циклах и определяли их средние величины.
При анализе объемно-временной структуры дыхательного цикла учитывали следующие параметры:
- длительность вдоха (Твд), в с;
- длительность выдоха (Твыд), в с;
- общая продолжительность дыхательного цикла (То), в с;
- доля вдоха в структуре дыхательного цикла (Твд/То);
- дыхательный объем (ДО), в л;
- средняя скорость вдоха (ДО/Твд), в л/с;
- минутный объем дыхания (МОД), в л/мин.
При статистической обработке результатов исследования уровень значимости различий между средними значениями показателей в различные месяцы года определялся с помощью парного и непарного критерия t Стьюдента. Для определения зависимости показателей возбудимости дыхательного центра от метеорологических факторов использовали корреляционный анализ.
Результаты исследования и их обсуждение
При оценке возбудимости дыхательного центра по величине вентиляторного ответа на гиперкапниче-ский стимул установлена четкая тенденция к увеличению ДМОД/рСО2 летом по сравнению с другими сезонами года (рис.1). Начиная с мая, возбудимость дыхательного центра постепенно нарастала: ДМОД/рСО2 в мае был достоверно выше, чем в феврале и достигал максимальных значений в июне (17,31±1,92 л/кПа) и в сентябре (18,00±3,51 л/кПа). В октябре появлялась тенденция к снижению ДМОД/рСО2, в ноябре (13,62±2,06 л/кПа) и в марте (13,30±1,42 л/кПа) его величина была минимальной.
Аналогичная тенденция получена при анализе изменений окклюзионного давления (Р01), отражающего интенсивность инспираторного драйва (рис. 1). Величина ДР01/рСО2 в июне была достоверно выше, чем в ноябре (соответственно, 0,32±0,04 и 0,30±0,04 кПа/кПа, р<0,05).
ДМОД/рСО2,
л/кПа
0 123456789 10 11 12
месяцы года
Рис. 1. Динамика возбудимости дыхательного центра у здоровых людей в течение года.
Т°С
Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—
0 123456789 10 11 12
месяцы года
Рис. 2. Зависимость возбудимости дыхательного центра (Д Р01/рСО2) от среднемесячных значений температуры воздуха (Т°) и атмосферного давления (Ратм) у здоровых людей.
Проведенный корреляционный анализ позволил обнаружить прямую линейную зависимость среднегрупповых значений ДР01/рСО2 от среднемесячной температуры окружающей среды (г=0,62, р<0,05) и обратную зависимость от среднемесячной величины атмосферного давления (г=-0,60, р<0,05). На рис. 2 наглядно представлена взаимосвязь сезонной динамики возбудимости дыхательного центра от изменений метеорологических факторов.
Сезонная вариабельность и повторяемость параметров регуляции дыхания на основании ежемесячных измерений составили для ДР01/рСО2, соответственно, 31,8 и 66,1%, для ДМОД/рСО2, соответственно, 37,9 и 78,8%.
Изменения возбудимости дыхательного центра сопровождались перестройкой объемно-временной структуры дыхательного цикла (табл.). Величина МОД в различные сезоны года оставалась относительно стабильной, в то время как его структура изменялась. ДО в зимние месяцы был достоверно выше, чем летом: 0,94±0,06 л в ноябре и 0,87±0,05 л в декабре, по сравнению с 0,76±0,02 л в июле (р<0,05).
Существенный рост ДО зимой сопровождался падением ЧД и, соответственно, увеличением То. Последняя была достоверно больше в феврале (3,97±0,25 с) и ноябре (4,49±0,42 с), чем в июне (3,78±0,23 с, р<0,05) и августе (3,44±0,25 с, р<0,05). Изменения То происходили за счет увеличения как Твд, так и Твыд. Благодаря пропорциональным изменениям ДО и Твд, средняя объемная скорость вдоха в различные сезоны года не претерпевала изменений.
Полученные нами данные свидетельствуют о наличии сезонного ритма возбудимости дыхательного центра. Обнаружено достоверное снижение вентиляторного ответа на гиперкапнический стимул в зимний период года по сравнению с другими сезонами, а также тенденция к снижению его весной, что отражает уменьшение возбудимости дыхательного центра. Наиболее вероятной причиной последнего является влияние низких температур окружающей среды, которое подтверждается наличием прямой линейной корреляции между ДР01/рСО2 и среднемесячной температурой воздуха. М.Я.Якименко и со-авт. [7] исследовали влияние общего умеренного охлаждения на вентиляторный ответ к гиперкапническому стимулу. Они показали, что как при остром умеренном охлаждении, так и под влиянием длительных повторяющихся холодовых воздействий происходит повышение порога включения вентиляторной реакции и снижение вентиляторного ответа на гиперкапнический стимул. Отношение прироста МОД к приросту РАСО2 при комнатной температуре составляло 16,2 л/об.%, снижение окружающей температуры до 13°С привело к уменьшению этого отношения до 12,5 л/об.%, что свидетельствовало о снижение возбудимости аппарата регуляции дыхания к гиперкапнии.
К.КВш^8, W.A.Whitelow [8] показали, что дыхание холодным воздухом через нос уменьшало наклон вентиляторной реакции на СО2 в среднем на 27%. Одновременно происходила перестройка паттерна дыхания, выражавшаяся в уменьшении ДО и отношения Твд/То. Авторы пришли к выводу, что полученные результаты связаны с действием на рецепторы дыхательных путей, чувствительные к охлаждению и дегидратации.
Таблица
Изменения минутного объема дыхания и его структуры в течение года
Месяцы года МОД, л/мин ДО, л Твд, с Твыд, с То, с ДО/Твд, л/с
Январь 13,8±0,50 0,79±0,03 1,42±0,06 2,08±0,11 3,54±0,15 0,57±0,01
Февраль 12,8±0,47 0,82±0,04 1,59±0,09 2,38±0,17 р7<0,05 3,97±0,25 р6<0,05 0,53±0,02
Март 13,4±0,43 0,81±0,03 1,51±0,08 2,21±0,12 3,72±0,18 0,55±0,02
Апрель 12,8±0,61 0,82±0,03 1,57±0,09 р8<0,05 2,25±0,14 р7<0,05 3,81±0,22 р7<0,01 0,53±0,02
Май 13,4±0,37 0,79±0,03 рп<0,05 1,43±0,06 2,17±0,09 3,60±0,14 рп<0,05 0,56±0,02
Июнь 13,6±0,50 0,83±0,04 1,53±0,08 2,25±0,17 3,78±0,23 0,56±0,02
Июль 13,8±0,55 0,76±0,02 рп<0,05 1,40±0,10 1,99±0,08 3,39±0,16 рп<0,05 0,57±0,02
Август 13,5±0,65 0,75±0,03 1,35±0,06 2,10±0,20 р4<0,05 3,44±0,25 р4<0,05 0,57±0,02
Сентябрь 13,6±0,80 0,79±0,04 1,41±0,05 2,17±0,13 3,5±70,17 0,56±0,02
Октябрь 13,9±0,52 0,85±0,03 1,62±0,12 2,10±0,11 3,77±0,18 0,55±0,02
Ноябрь 13,3±1,08 0,94±0,06 1,66±0,14 2,53±0,24 4,49±0,42 0,52±0,04
Декабрь 14,4±0,65 0,87±0,05 р7<0,05 1,56±0,13 2,20±0,19 3,76±0,30 0,57±0,02
Примечание: здесь и далее вероятность различий (рп) приведена по парному критерию Стьюдента, где п - месяц, с которым определены различия.
В эксперименте с возвратным дыханием холодный воздух, проходящий через нос, вызывал уменьшение скорости повышения активности инспиратор-ных мышц [9]. Очевидно, что холодовые рецепторы верхних дыхательных путей могут быть звеном отрицательной биологической обратной связи, контролирующей вентиляцию. В эксперименте показано, что длительное и усиленное раздражение рецепторов рефлексогенной зоны верхних дыхательных путей сопровождается ослаблением деятельности нервных центров. Особенно это относится к дыхательному центру [2].
Сезонные изменения объемно-временной структуры дыхательного цикла у здоровых лиц в настоящем исследовании носили изовентиляторный характер: благодаря синхронному изменению ДО и То величина МОД по сезонам года не изменялась, что обеспечивало сохранение постоянства газового состава альвеолярного воздуха. Изменения ДО и Твд также происходили пропорционально, поэтому отношение ДО/Твд не имело сезонных различий. Отсутствие сезонной динамики отношения ДО/Твд у здоровых лиц свидетельствовало о стабильности центральной инспираторной активности, обеспечивающей поддержание на протяжении года неизменного минутного объема дыхания.
Поддержание центральной инспираторной активности на одном уровне в течение года при меняющейся возбудимости дыхательного центра может быть обусловлено рядом причин. При сниженной возбудимости дыхательного центра уровень минутной вентиляции легких может сохраняться за счет прироста гиперкапнического стимула. Повышение бронхиального сопротивления и ухудшение проходимости дистальных бронхов сопровождается ростом регионарной неравномерности вентиляции легких в холодный период года. У здоровых лиц этот феномен вряд ли может иметь место, так как для увеличения рСО2 в артериальной крови необходимо значительное нарушение вентиляционно-перфузионных отношений. Важным фактором для поддержания центральной инспираторной активности является нарастание гипоксического драйва, что более вероятно при увеличении неравномерности легочной вентиляции, обусловленной снижением бронхиальной проходимости в холодный период года и увеличением функционального мертвого пространства.
в.КМеМИе [10] было обнаружено, что как при остром умеренном охлаждении, так и при адаптации к холоду здоровых лиц одинаковым значениям рСО2 в конечной порции выдыхаемого воздуха соответствуют меньшие значения рО2, что свидетельствует о некотором снижении эффективности вентиляции при охлаждении и о том, что снижение рО2 в артериальной крови наступает при менее выраженных нарушениях венти-ляционно-перфузионных отношений в силу меньшей диффузионной способности кислорода и сродства к гемоглобину, чем СО2. Поэтому при сниженной возбудимости дыхательного центра МОД и ДО/Твд остаются на том же уровне за счет увеличения гипоксиче-
ского стимула, который способствует поддержанию центральной инспираторной активности.
Наконец, наиболее вероятной причиной сохранения центральной инспираторной активности и поддержания МОД при сниженной возбудимости дыхательного центра является изменение порога чувствительности дыхательного центра к СО2 и смещение кривой зависимости МОД от рСО2 влево. Тогда при одинаковых значениях рСО2 в артериальной крови и разной возбудимости дыхательного центра летом и зимой центральная инспираторная активность может не изменяться.
Таким образом, у здоровых людей имеется сезонный ритм центральной регуляции дыхания, который заключается в снижении возбудимости дыхательного центра в холодный период года, сопровождающемся изовентиляторной перестройкой объемно-временной структуры дыхательного цикла с увеличением дыхательного объема и уменьшением частоты дыхания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авозбакиева М.Ф., Аскарова З.Ж. Сезонные изменения в организме детей в условиях гор и пустынь Казахстана//Физиология человека в природных условиях СССР. - Л.: Наука, 1969. - С.40-51.
2. Буков В.А., Фельбербаум Р.А. Рефлекторные влияния с верхних дыхательных путей. - М.: Медицина, 1980. - 272 с.
3. Глебовский В.Д. Изменение дыхания после блокады тройничных нервов у децеребрированных кошек//Физиологический журнал СССР.- 1981. -Т.67, №6. - С.865
4. Кисляков Ю.Я., Бреслав И.С. Дыхание, динамика газов и работоспособность при гипербарии. -Л.:Наука, 1988. - 237 с.
5. Перельман Ю.М., Прилипко Н.С. Сезонные изменения вентиляционной функции легких у здоровых людей//Дальневосточный медицинский журнал.
- 1996. - №2. - С.16-20.
6. Фельдшеров Ю.М., Плечева Л.И. Биоэлектрическая активность нейронов дыхательного центра при вдыхании охлажденного воздуха // Важнейшие теоретические и практические проблемы терморегуляции: Тезисы докл.конф. - Новосибирск, 1982. - С.41-43.
7. Якименко М.А., Симонова Т.Т., Пичкуров А.М., Татауров Ю. А. Влияние адаптации к холоду на показатели внешнего дыхания при гиперкап-нии//Физиология человека. --1989. -№5. - С.148-151.
8. Burgess K.R., Whitelow W.A. Effects of nasal cold receptors on pattern of breathing//J.Appl.Physiol. -1988. - Vol.64, № 1. - P.371-376.
9. McBride B., Whitelow W.A. A physiological stimulus to upper airway receptors to humans// J.Appl. Physiol. - 1981. - Vol.51. - P.1180-1197.
10. Melville G.N. Nervous pathways in the respiratory response to facial cold//Environ.Physiol. - 1972. -Vol.2, № 4. - P.149-187.
11. Read D.J.C. A clinical method for assessing the ventilatory response to carbon dioxide//Austr.Ann.Med.
- 1967. - Vol. 16. - P.20-32.
□ □□
